【正文】 污垢系數(shù)： R1 = 104。 ℃ ⒊ 管外給熱系數(shù) ai: 用管外水沸騰給熱系數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算 ai = q kJK)1 ⑷ 導(dǎo)熱系數(shù) λ： 高壓下含氨混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)用氮的對比導(dǎo)熱系數(shù)圖計(jì)算 表 424 對比導(dǎo)熱系數(shù) λ′ = ∑Yiλ′i = +++ + = .℃ 查圖得： λr = λ =λrλ′i = = .℃ ⑸ 液體粘度 u: 表 426 液體粘度 NH3 Ar H2 N2 O2 Yi , % NH3 Ar H2 N2 O2 Yi , % λ′i Um = ∑Yi Ui = ++++ = ㎏ h1 ⑷ 產(chǎn)量： W = 11 tNH3h1) 支 方 (kJh1 ⒋ 氨分離器液氨帶入熱量 Q74 等于液氨帶出熱量 Q75 Q74 = Q75 = Q63 = kJh1 ⒌ 水冷器熱負(fù)荷 △ Q △ Q = Q61+Q 冷 Q62Q 液 = + = kJh1 ⒉ 氨冷凝熱 Q 冷 查《小氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊》表 101 得 35℃ 時(shí)氨冷凝熱 I= kJh1 Q52 = Q32 = 20760882 kJh1 蒸汽帶入熱量 Q 蒸 = = kJh1, YH2,12 = ％ YNH3,12 = ％ ,YN2,12 = ％ , YO2,12 = ％ , YAr,12 = ％ 表 413 220℃ 時(shí)氣體出廢鍋的 因子 物料 a b103 c107 220℃ H2 NH3 N2 O2 ℃ = ％ +％ +％ + ％ = kJmol1 647 kmolh1 ⒉ 由氣 —?dú)鈸Q熱器進(jìn)入合成塔氣體熱量 Q32 F10 = F9 = F8 = ％ +％ +％ +％ = 26 Q32 = () t10 = ()(+120) = ()10222 = 20760882 kJK)1 Q24 = Q21+(Q22Q23) = 18361253+() = kJ(molh1 表 48 氨冷器熱量平衡匯總表 收 方 ((kJh1 ⒋ 氨冷時(shí)放出的熱量 Q14 由公式： I = [Tbr(ln(Pc1))/()] R = cal(mol F3──循環(huán)氣或氫回收的流量 Nm3h1。 工藝流程方框圖 高壓機(jī) 氨冷囂 冷凝塔氣 氣換熱囂合成塔 水冷器 分離器新鮮氣 新鮮氣有液氨的高壓混合氣 循環(huán)氣氣體 氣液混合混合氣體循環(huán)氣 氨氨 圖一 第四章 工藝計(jì)算 物料衡算 新鮮氣流量的確定 ⒈ 計(jì)算依據(jù) 表 41 進(jìn)合成系統(tǒng)新鮮氣組成 組 成 N2 H2 Ar/CH3 合 計(jì) mol％ 20 64 16 100 表 42 空氣組成 組 成 N2 O2 Ar 合 計(jì) mol％ 78 21 1 100 表 43 循環(huán)氣組成 合 成 N2 H2 O2 NH3 Ar/CH3 合 計(jì) mol％ 26 60 5 6 3 100 ⒉ 計(jì)算基準(zhǔn) ⑴ 生產(chǎn)任務(wù) 年產(chǎn)八萬噸的合成氨，取一年 300 天為基準(zhǔn)，則 80000/y = 80000/（ 30024） ≈ ≈11t/h= 647 kmol但將進(jìn)口 氨含量降的過低，會(huì)導(dǎo)致冷凍功耗增加過多，經(jīng)濟(jì)上并不可取。 循環(huán)氣體中惰性氣體的控 制還與操作壓力和催化劑活性有關(guān)。從氨的合成反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理可知，氮的活性吸附是合成氨反應(yīng)過程速度的控制步驟，因此適當(dāng)提高氮?dú)鉂舛?，對氨合成反?yīng)速度有利。 流程設(shè)計(jì)在于合理地配置上述幾個(gè)步驟，以便得到較好的技術(shù)效果，同時(shí)在生產(chǎn)上穩(wěn)定可靠。 在其他條件一定時(shí)，增加空間速度能提高合成氨的生產(chǎn)強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能沿著最佳溫度曲線進(jìn)行。因此從化學(xué)平衡角度考慮，應(yīng)盡可能采用較低的反應(yīng)溫度。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功。世界上合成氨總的發(fā) 展趨勢多采用中壓法，其壓力范圍多數(shù)為 30～ 35 MPa。高壓法的優(yōu)點(diǎn)是，氨合成的效率高，合成氨出口氣體中含氨達(dá) 25％～ 30％，催化劑的生產(chǎn)能力較大。 ⑷ 混合氣中氫、氮含量越高越有利于反應(yīng)，因此，氣體中惰性氣體含量越少越好。如果在合成氨原料氣脫除二氧化碳過程中能聯(lián)合生產(chǎn)這些產(chǎn)品，則可以簡化流程、減少能耗、降低成本。二是企業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，產(chǎn)業(yè)集中度低，技術(shù)水平不高。但我國合成氨工業(yè)還不夠發(fā)達(dá)，比外國的氮肥企業(yè)還有些距離。下吹煤氣直接經(jīng)洗氣箱及洗氣塔送入氣柜。 本設(shè)計(jì)采用半水煤氣，半水煤氣經(jīng)過凈化后得到純凈的氫氣，再配制適量的氮?dú)?，成為合成氨的原料氣。這種生成的混合氣稱為煤氣。液氨為 無色液體，氣化時(shí)吸收大量的熱。例如制冷、空調(diào)、食品冷藏系統(tǒng)大多數(shù)都是用氨作為制冷劑。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就 是直接由氮和氫合成為氨，再進(jìn)一步制成化學(xué)肥料或用于其它工業(yè) 在國民經(jīng)濟(jì)中，氨占有重要地位，特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大意義。本設(shè)計(jì)要求要掌握合成塔的工作原理，生產(chǎn)的工藝路線，并能根據(jù)工藝指標(biāo)進(jìn)行操作計(jì)算。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 年產(chǎn) 8 萬噸合成氨合成工段工藝設(shè)計(jì) 前 言 本設(shè)計(jì)就合成車間的工藝生 產(chǎn)流程，著重介紹化工設(shè)計(jì)的基本原理、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技巧和經(jīng)驗(yàn)。本設(shè)計(jì)所采用的方法是半水煤氣合成法，其主要原料是煤和氮?dú)猓妹簛砩蓺錃?，而本設(shè)計(jì)主要是對合成塔工段的設(shè)計(jì)，故 所用原料直接采用氮?dú)夂蜌錃?，其?合成塔為主要設(shè)備，在氨冷器、水冷器、氣 —?dú)饨粨Q器、循環(huán)機(jī)、分離器、冷凝塔等輔助設(shè)備的作用下，以四氧化三鐵為觸媒，在 485—500℃ 的高溫條件下來制得氨氣 。把大氣中的游離氮固定下來并轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂盏幕衔锏倪^程，稱為固定氮。在石油煉制、橡膠工業(yè)、冶金工業(yè)和機(jī)械加工等部門以及輕工、食品、醫(yī)藥工業(yè)部門中，氨及其加工產(chǎn)品都是不可缺少的。而在常溫下需加壓到 時(shí)才能液化。在氣化過程中所使用的空氣、水蒸氣或富養(yǎng)空氣 水蒸氣混合氣等稱為汽化劑?？捎谜魵馀c適量的空氣或蒸氣與適量的富養(yǎng)空氣為汽化劑制得，也可用水煤氣與吹風(fēng)混合配制。 在下吹階段中，水蒸氣與空氣混合，經(jīng)燃燒室回收蓄熱磚的熱量后，從煤氣發(fā)生爐頂部吹入（空氣較水蒸氣略遲通入），從爐底排出半水煤氣。目前，全國有規(guī)模以上基礎(chǔ)化肥生產(chǎn)企業(yè)近 1000 家，其中，氮肥廠約 500 家，合成氨年生產(chǎn)能力 30 萬噸以上的大型企業(yè)有 26 家，合成氨年生產(chǎn)能力 10 萬噸以上的中型企業(yè)也有 100多家，其他還有 800 多家小氮肥廠也生產(chǎn)合成氨，而其產(chǎn)量約占氮肥總量的 60%。同時(shí)，對于有廉價(jià)天然氣資源的地區(qū)，鼓勵(lì)采用天然氣改造現(xiàn)有裝置或建設(shè)天然氣化肥基地。合成氨生產(chǎn)中副產(chǎn)大量的二氧化碳，不僅可用于冷凍、飲料、滅火，也是生產(chǎn)尿素、純堿、碳酸氫銨的原料。 ⑶ 必須借助觸媒，以加快反應(yīng)速度。 ⑵ 高壓法 操作壓力為 60 MPa 以上的稱為高壓法，其操作溫度大致為 550～ 650 ℃ 。 氨合成的上述三種方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能簡單的比較其優(yōu)劣。氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一。 ⑵ 最適宜的反應(yīng)溫度 合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，平衡常數(shù)下降，平衡氨含量必定減少。就整個(gè)反應(yīng)過程來說，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，轉(zhuǎn)化率不斷增加，最佳溫度隨轉(zhuǎn)化率增加而降低。但由于氨凈值降低的程度比空間速度的增大倍數(shù)要少，所以當(dāng)空間速度增加時(shí)，合成氨的產(chǎn)量也有所增加。 工業(yè)上采用的氨合成工藝流程雖然很多，而且流程中設(shè)備結(jié)構(gòu)操作條件也各有差異，但實(shí)現(xiàn)氨合成過程的基本步驟是相同 的，都必須包括以下幾個(gè)步驟：氮、氫原料氣的壓縮并補(bǔ)充到循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應(yīng)氣體補(bǔ)充壓力，循環(huán)使用；排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。 ⑴ 氫氮比 當(dāng)氫氮比為 3:1 時(shí)，對于氨合成反應(yīng)可以獲得最大的平衡氨濃度，但從動(dòng)力 學(xué)角度分析，最適宜氫氮比隨著氨含量的變化而變化。但是氫氮?dú)夂筒糠职币搽S之排放，造成一定損失，故循環(huán)氣體中惰性氣體的控制含量不能過高也不能過低。降低進(jìn)口氨含量，可加快反應(yīng)速度，提高氨凈值和生產(chǎn)能力。 自冷凝塔二次出口的循環(huán)氣其中一部分進(jìn)入合成塔上部一次入口，氣體沿著內(nèi)件與外箱間環(huán)隙向下冷卻塔壁后，進(jìn)入下部換熱器管外，另一部分循環(huán)氣直接進(jìn)入塔外氣 氣換熱器冷氣入口，通過管外并與管內(nèi)廢鍋口出來氣體換熱后，設(shè)有副線氣流分成 四股，其中二股作為冷凝氣分別從塔頂進(jìn)入菱形分布器和層間換熱器，一股為塔底副線，另一股進(jìn)入合成塔下部二次入口與一次入口氣體混合，通過下部熱交換器與管內(nèi)氣體換熱后與塔底副線氣混合，由內(nèi)中心管進(jìn)入第一軸層反應(yīng)，反應(yīng)后氣體與塔頂引入的第一冷凝氣混合進(jìn)入第二軸向?qū)臃磻?yīng)氣體進(jìn)入層間換熱器管內(nèi)與第二冷凝氣換熱降低氣體溫度進(jìn)入徑向?qū)?，第二冷凝氣換熱后提高自身溫度進(jìn)入外中心管與內(nèi)中心管，氣體混合進(jìn)入第一軸向?qū)?，徑向?qū)幼岳锵蛲鈴较蛄鞒?，通過整個(gè)觸媒層進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，與管外換熱后出塔進(jìn)入廢鍋爐，與脫氧水換熱副產(chǎn)品， 的蒸汽 ,氣體溫度降低到 217 ℃ 以下 ,進(jìn)入氣氣換熱器 ,氣流經(jīng)與管外氣體換熱器降溫后進(jìn)入水冷器 ,后進(jìn)入循環(huán)機(jī) ,補(bǔ)充壓力 ,經(jīng)濾油器除去油圬后 ,進(jìn)入冷凝塔上部的熱交換器 ,出熱交換器后與新鮮氣混后開始下一個(gè)循環(huán)。 F2──空氣的流量 Nm3h1。h1 YH2,17 =(F1YH2,1+F5YH2,5)/(F1+F5)= (1714+928)/(1714+928)= ％ YN2,17 = (F1YN2+F5YN2,5)/(F1+F5)= ％ YO2,17 = F5(F1+F5)= ％ YNH3,17 = F5(F1+F5)= ％ YAr,17 = ％ ％ ％ ％ = ％ ⒈ 氣體帶入熱量 Q11 F17 中的 ％氨中有 1％被冷凝， 由公式 =a+bT+cT2 計(jì)算 進(jìn)口氣體 : 表 45 23℃ 時(shí)進(jìn)口氣體的 因子 物料 a b103 c107 23℃ H2 NH3 N2 O2 = CPH,H2YH2,17+CPN2YN2,17+,17+,17+,17 = +++ = Jh1 ⒊ 冷凝的液氨帶出熱量 Q13 = = 2642240= kJkg1 F15 = Q 吸 /△ INH3 = 686870/ = kgh1 表 49 氣體出冷凝塔是不同溫度時(shí)的 因子 物料 a b103 c107 23℃ 47℃ H2 NH3 N2 O2 ℃ = 60％ +6％ +26％ +5％ = kJ(molK)1 Q31 = ,11t11= 1758(350+) = 39212809 kJmol1 2 kmol 56207 kJh1 ⒉ 從廢鍋帶出氣體的熱量 Q42 令 t12 = 220 ℃ , F12 = F11 = 1758 kmolh1 ∴ 廢熱鍋脫氧水帶入熱量 Q 脫 = XI1 = = kJh1 ⒉ 由氣 —?dú)鈸Q熱器往合成塔的氣體 帶出熱量 Q52 F10 = F9 = 2031 kmolh1) 由冷凝塔進(jìn)氣 —?dú)鈸Q熱器熱量 Q51 由氣 —?dú)鈸Q熱器往合成塔帶出熱量 Q52 20760882 由廢鍋進(jìn)氣 —?dú)鈸Q熱器熱量 Q53 由氣 —?dú)鈸Q熱器出來所帶熱量 Q54 小 計(jì) 小 計(jì) 對水冷器作熱量衡算 令水冷器出口氣體溫度為 35℃ ,氣體先冷卻到 35℃ 后，氨再冷卻 ⒈ 由氣 —?dú)鈸Q熱器往水冷器所帶熱量 Q61 Q61 = Q54 = kJkg1 Q 液 = 6471735 = kJh1 ⒊ 由分離器 → 循環(huán)機(jī)帶出熱量 Q73 Q73 = = 928(+35)= kJh1 壓縮功 N = Q83/3600 = 336055/3600 = kW 表 421 循環(huán)機(jī)熱量平衡匯總表 收 方 (kJ即 ∑V = 15%Vk = 15% = m3 H =（ Vk+∑V） /=(+)/= m ≈ 9 m 廢鍋的設(shè)備計(jì)算 ⒈ 計(jì)算條件 ⑴ 選臥式 U 型換熱管 ⑵ 高壓管尺寸：￠ 24 、 d 外 = m 、 d 內(nèi) = m 、 d = m ⑶ 熱負(fù)荷： Q = kJ(kmolh183